Der Doming-Blog

Lasertechnologie wird heute in verschiedenen Industriezweigen vermehrt eingesetzt. Laser sind super präzise, leistungsstark und vielseitig einsetzbar. Sie sind aber auch hochsensible Instrumente mit komplexer Funktions- und Wirkungsweise. CO2 Laser gehören zu den Gaslasern und sind zusammen mit Festkörperlasern die meisteingesetzten Laservarianten. Meist werden sie zur Bearbeitung verschiedenster Materialien und Oberflächen verwendet. Zudem sind CO2 Laser verhältnismäßig preiswert in der Anschaffung und auch im Energieverbrauch äußerst effizient. Der Wirkungsgrad zwischen 10 % und 20 % gilt als sehr gut. Kohlenstoffdioxid-Laser arbeiten im mittleren Infrarotbereich und besitzen eine Ausgangsleistung zwischen etwa 10 W und 15kW. Es gibt sie mit kontinuierlichem Strahl und als gepulsten Laser.

co2 Laser - Bauweise

Es gibt verschiedene Bauarten bei CO2 Lasern. Bei Leistungen bis 15 kW sind vor allem sind längsgeströmte CO2-Laser verbreitet. Bei sehr großer Leistung werden häufig quergeströmte CO2 Laser bevorzugt. Die Bezeichnung bezieht sich jeweils auf die Richtung in der das einströmende Gas den Resonator durchströmt. Das Gasgemisch besteht aus CO2, N2, He, H2 und H2O und wird gleichmäßig von einer Pumpe angesaugt. SLAB-CO2 Laser enthalten übrigens auch das Edelgas Xenon. Je nachdem ob es sich um langsam oder schnell geströmte Laser handelt, kommt noch ein ausgeklügeltes Kühlsystem hinzu. Das Gas gelangt von der Pumpe durch die Rohre angesaugt in den Resonator. Dort wird mit Gleichstrom oder mit Hochfrequenz eine Plasmaentladung hervorgerufen. Dadurch wird das Gasgemisch angeregt. Verstärkermodule können dann in Reihe hintereinander geschaltet werden. Das verlängert zwar den Strahlungsweg, erhöht aber die Leistung. Der Strahl wird dabei mit verschiedenen Spiegeln polarisiert. Je nach gewünschtem Ergebnis und der Verwendung kann der Strahl dabei linear oder zirkular polarisiert werden.
Eine weitere Variante sind diffusionsgekühlte CO2-Laser, bei denen die Plasmaentladung zwischen zwei engen Platten abläuft und automatisch durch Diffusion gekühlt wird.

Vorgang im Resonator

Im Resonator werden die N2 Moleküle zum Schwingen im Sinne einer kinetischen Schwingung angeregt. Sie stoßen immer wieder CO2 Moleküle an, wodurch auch diese zum Schwingen gebracht werden. Die Moleküle unterlaufen verschiedene Energiestufen, da sie nach und nach Energie verlieren. Auf den einzelnen Stufen geben sie Photonen ab, sozusagen „Lichtteilchen“. Danach befinden sich die CO2 Moleküle wieder in einem stabilen Zustand. Stoßen sie mit Heliummolekülen zusammen, geben sie auch ihre kinetische Energie ab. Sie sind dann wieder im Ausgangszustand und können erneut angeregt werden. Die Photonen treten durch einen halbdurchlässigen Spiegel aus und werden als Strahl gebündelt. Dieser kann dann wiederum umgeleitet und verstärkt werden.

co2 Laser Verwendung

Je nach Leistung werden CO2 Laser für verschiedenste Arbeitsschritte herangezogen. Im unteren Leistungsbereich bis zu 200 W werden sie zum bearbeiten von relativ dünnem und besonders von organischem Material verwendet. Das können zum Beispiel Kunststoffe, Holz oder auch Textilien sein. Handelt es sich um einen gepulsten Laser, können auch anorganische Stoffe verwendet werden. So werden Keramiksubstrate in Hybridschaltkreisen behandelt. Zwischen 1 kW bis 5kW steht besonders die Blechbearbeitung im Vordergrund. Hier spricht man vom Laserschneiden. Durch die höhere Leistung können auch wesentlich dickere Stücke geschnitten werden. Die maximal zu durchtrennende Stärke hängt natürlich von der Dichte des zu schneidenden Stoffes ab. Bei normalem Baustahl können Werkstücke bis zu 35 mm zerschnitten werden, während bei höherwertigem Edelstahl nur 25 mm möglich sind. Laser werden vor allem dort eingesetzt, wo individuell und mit kleinen Stückzahlen produziert wird. In der Massenproduktion ist der Einsatz von Stanzen um vieles preiswerter. Ist die Laserleistung noch höher kann der CO2 Laser sogar zum Schweißen und Schmelzen benutzt werden. Das ist ab etwa 6 kW möglich. Bei dieser Wattzahl ist auch ein oxidfreies Laserschneiden von Stücken bis 40 mm kein Problem.
Da die Wellenlänge des CO2 Lasers vom Glas komplett absorbiert wird, kann er auch für verschiedenste Glasverarbeitung eingesetzt werden. Die Möglichkeiten umfassen dabei das Verschweißen von Glühbirnen bis hin zur kunstvollen Lasergravur von Weingläsern und Vasen bis zum für die Pharmaindustrie wichtigen Anritzen kleiner Ampullen.
Bislang können aber Buntmetalle wie Kupfer oder Gold kaum sinnvoll mit dem CO2 Laser bearbeitet werden, was ebenfalls mit der Wellenlänge des Lasers zusammen hängt. Diese liegt bei etwa 10,6 µm und ist damit außerhalb des Bereiches des für das menschliche Auge sichtbaren Lichtes. Aus diesem Grund kann der Strahl des CO2 Lasers auch nicht in Glasfaserkabeln geführt werden, sondern er muss in speziellen Umlenkspiegeln aus Kupfer oder Silizium geleitet werden. Fokussiert wird der Strahl durch die Verwendung durch Parabolspiegeln oder Zinkselenid, je nachdem, ob er zum Schneiden oder Schweißen verwendet werden soll. Allerdings benötigt der Laser ein Anfangsloch im Metall, da er sonst zu stark reflektiert wird. Dieser erste Einstich ist derzeit technologisch noch nicht voll optimiert, da Metallspäne den Laser ablenken können oder die Reflektion nicht ausreichend ausgeschaltet wird.